Осипенко Л.Е. Система задач и упражнений как средство повышения познавательного интереса школьников

В последнее время педагогами многих стран все больше осознается, что "школа должна не только повышать интеллектуальный потенциал страны, но и создавать условия для формирования из каждого ученика свободной, творческой, критически мыслящей личности, способной осознать и развивать свои задатки и склонности, находить свое место в жизни" [9, с. 28]. Для успешного решения этих задач современному человеку нужны не только глубокие научные знания, но и умение творчески применять их в повседневной жизни.

Особая роль в данном аспекте принадлежит физике. Ценность физики как учебного предмета не ограничивается лишь ее вкладом в систему знаний учащихся об окружающем мире. Ее функция не исчерпывается также и тем, что в числе других предметов естественно-научного цикла она обеспечивает формирование научного мировоззрения учащихся. Физика имеет огромное гуманитарное значение: она вооружает школьников методами научного познания, что может стать фундаментом решения многих проблем, обозначенных выше.

Однако во многих странах мира ученые и педагоги обеспокоены катастрофическим спадом интереса современной молодежи к физике. В частности, результаты исследований, проведенных специалистами Букингемского университета в 432 школах Англии и Уэльса, показали, что количество учеников, изучающих физику на повышенном уровне (A-level) стало на 38 % меньше, чем в 1990 году.

Профессор Алан Смитерс и доктор Памела Робинсон сделали вывод, что "углубленное изучение физики может вскоре исчезнуть из программы средней школы Англии. Если мы хотим, чтобы физика осталась в школах в качестве общего предмета или специализации, надо срочно принимать меры" [11].

Данные, приведенные в источниках [12—14], а также Барбарой Керр и Шерон Е. Робинсон Курпиус из американского университета штата Аризона [15], также свидетельствуют о кризисном состоянии сегодняшнего школьного физического образования. Причины такого кризиса достаточно глубоки. По мнению ученых, они во многом связаны с "...безразличием к личности учащегося, схоластичностью преподавания, скукой, царящей на многих уроках" [2, с. 18].

Как показали результаты проведенного нами исследования, одним из средств повышения познавательного интереса учащихся к изучению физики могут стать специальные задачи и упражнения. При этом развивающий эффект обучения может быть значительно усилен, если они будут использоваться не эпизодически, а в определенной, четкой последовательности, т.е. системно. Заметим, что система познавательных задач — это не простой их перечень, а "включение в процесс обучения особого содержания деятельности учащихся, характеризующегося такими признаками, как осознание проблемной ситуации, формирование противоречия, осуществление процесса решения, доказательство правомерности вывода и т.д." [3, с. 50].

Основанием для такой системы задач и упражнений может быть познавательный цикл:

ФАКТЫ -> ПРОБЛЕМА -> ГИПОТЕЗА -> МОДЕЛЬ -» СЛЕДСТВИЯ -> ЭКСПЕРИМЕНТ.

Экспериментальные факты — наиболее устойчивая часть научных знаний. В физике они, как правило, являются результатом наблюдений (либо измерений). Однако традиционные методики не обеспечивают формирование у учащихся умения наблюдать. Опыт нашей работы показал, что от школьников чаще всего требуется всего лишь "смотреть". К сожалению, для них пассивное наблюдение имеет лишь подтверждающий и иллюстративный характер, легко заменяемый словесным сообщением факта [7]. Предлагая учащимся задания на наблюдение окружающего мира, мы целенаправленно обучали их собирать, анализировать и систематизировать полученные факты. Например:

■ М. В. Ломоносов в заметках по физике отмечал: "Толченое стекло не прозрачно. Мокрая бумага более прозрачна". Дайте объяснение данным фактам.

■ Понаблюдайте за образованием росы и инея.

■ Проведите серию наблюдений по изучению траектории полета снежинок во время снегопада.

■ Понаблюдайте за сезонными изменениями атмосферного давления в вашей местности. Объясните причины изменения давления.

■ Понаблюдайте за физическими свойствами воды, льда и снега. В чем проявляется сходство и отличие между этими веществами?

■ Опишите процесс растворения в воде следующих веществ: сахара, меда, поваренной соли, глицерина, керосина, глины, речного песка.

■ Сравните и опишите процесс горения сухих и сырых дров.

■ Понаблюдайте и опишите поведение комка пены, брошенной на поверхность воды.

Однако сбор фактов без их осмысления, по меткому выражению К. А. Тимирязева, приводит к заболачиванию науки. Проблема является формой осмысления фактов, способом перехода от познания отдельных фактов к познанию законов. Поэтому целесообразно предлагать учащимся задачи, решение которых позволит им овладеть умением выделять и формулировать проблему. Например:

■ Если ранним утром войти в воду и опустить руку, то кажется-, что она теплее, чем была вчера днем. Но ведь за это время вода остыла! Объясните явление.

■ Почему весной и летом морская вода поверхностного слоя у антарктических берегов более холодная, чем лежащие ниже глубинные слои?

■ В ряде штатов США иногда ощущается нехватка пресной воды. Как один из вариантов уменьшения данной проблемы ученые предложили буксировать айсберги от берегов Аляски к калифорнийскому побережью. Какая возникает проблема? Как обеспечить быстрое таяние льда в Лос-Анджелесе? Необходимо учесть, что применять топливо невыгодно, электрический разогрев — тем более.

История науки показывает, что все отрасли научного знания развиваются путем гипотез, роль которых с развитием знания возрастает. Поэтому необходимо особое внимание уделять уяснению учащимися сущности гипотезы, ее роли и места в познании природы. При этом, выдвигая гипотезы, школьники могут использовать следующие слова: "Если..., то...", "Может быть", "Предположим", "Допустим", "Возможно".

■ В 1965 году советским физиком Е. Г. Швидковским было открыто ранее неизвестное свойство атмосферы Земли, заключающееся в существовании области повышенной ионизации на высоте 10—40 км. Какова ваша гипотеза образования такой области?

■ В 1958 году группой советских ученых, возглавляемых академиком С. Н. Верновым, было установлено, что в области пространства, где расположены силовые линии магнитного поля Земли, находится радиационная зона, названная впоследствии внешним радиационным поясом. Установлено, что высота пояса колеблется от 12 тыс. до 36 тыс. км от поверхности Земли. Предложите гипотезу происхождения радиационного пояса и обоснуйте ее.

■ Какое молоко имеет большую плотность — цельное или снятое? Вашу гипотезу подтвердите экспериментально.

■ Представьте, что на планете Земля все виды теплопередачи стали происходить совершенно иначе: конвекция стала возможной только для твердых тел, находящихся в состоянии невесомости; темные предметы стали меньше поглощать излучения, а светлые — больше; металлы стали обладать плохой теплопроводностью, а дерево — хорошей. Опишите, каким образом представленные изменения могут повлиять на природные явления и процессы на Земле.

■ Ученые изобрели аппарат для получения кислорода из воды. Аппарат запущен в широкое производство. Спрогнозируйте возможные изменения в природе.

В ряде случаев человеку приходится прибегать к искусственному воспроизведению явлений и процессов в форме, удобной для наблюдения или изучения, т.е. использовать модели.

При построении модели исследователь выбирает те свойства и характеристики реальной ситуации, которые являются существенными в рамках поставленной задачи, и пытается их воспроизвести в модели. Например, архитектор, проектирующий здание, строит его макет — уменьшенную копию, воспроизводящую только внешний вид здания, так как эта характеристика является для него наиболее существенной. На модели архитектор может проверить, удовлетворяет ли внешний вид здания его эстетическим вкусам, вписывается ли оно в окружающий ландшафт, гармонирует ли с соседними сооружениями. Для инженера-строителя наиболее важными характеристиками здания являются его прочность, требования к технологии строительства, необходимые материалы. При этом его модель принципиально отличается от модели архитектора.

Использование моделирования на уроках физики диктуется необходимостью раскрыть такие стороны объектов, которые невозможно постигнуть путем непосредственного изучения.

Как известно, модели могут быть представлены в различных формах, содержать или не содержать математическое описание, предполагать или не предполагать тот или иной момент наглядности, т.е. они могут быть не только реальным предметом, но и некой понятийной конструкцией, воплощенной в знаково-символической форме [4]. Для усвоения учащимися сущности моделирования можно предложить им следующие задания.

■ Определите, по какой траектории должен лететь современный самолет, чтобы в нем можно было воспроизвести невесомость.

■ Смоделируйте работу легких человека с помощью двух воздушных шариков и пластиковой бутылки.

■ Разработайте теоретическую модель полета стрекозы и обоснуйте основные параметры ее движения.

■ Создайте в лаборатории модель миража, подобного тому, что можно наблюдать на дороге или в пустыне.

■ Из пушки стреляют вертикально вверх. Попадет ли снаряд назад в ствол пушки? Постройте идеальную физическую модель ситуации.

■ Разработайте математические модели движения тела под действием силы тяжести при различных начальных условиях.

■ Создайте модель пылевого вакуумного насоса. Предложите возможные области его использования.

■ Предложите простейшую модель течения жидкости в канале. Выполните экспериментальное определение профиля скоростей реки в вашей местности. Рассчитайте ее годовой сток.

■ Колобок радиусом R и массой m, испеченный зимой, ушел от бабушки и дедушки на горку. Колобок сел на маленький кусок древесной коры и без начальной скорости съехал с вершины горки. Горка составляет угол а с горизонтом, ее высота равна h. Коэффициент трения между древесной корой и ледяной горкой равен μ. Какова скорость колобка в конце горки? В системе отсчета, связанной с Землей, разработайте физические модели:

• без учета сопротивления воздуха и с его учетом;

• гора — наклонная плоскость;

• колобок — материальная точка, на движение которой среда не оказывает влияния.

■ На рисунке изображена корпускулярная модель-аналогия преломления света на границе двух сред. Придумайте на основе этой же идеи модель-аналогию прохождения света через фокусирующую линзу.

Причинность — одна из форм общей взаимосвязи явлений объективного мира. Однако для многих школьников выявление и анализ причинно-следственных связей является достаточно сложным видом работы, которому необходимо обучать специально. Можно, например, предложить следующие вопросы.

■ Если длинные волосы погрузить в воду, то они торчат во все стороны. Почему они слипаются, как только мы вынимаем голову из воды?

■ Почему ветер гасит звук, а туман его усиливает?

■ Почему от капли дождя, падающей в воду, летят брызги?

■ Почему человек может бежать по очень тонкому льду и не может стоять на нем, не проваливаясь?

■ Почему пыль в комнате оседает в основном с внутренней стороны (которая ближе к стене) отопительной батареи?

Особое место в формировании познавательного интереса учащихся к изучению физики принадлежит эксперименту. Как показало исследование А. В. Усовой [9], более 30 % учеников любят уроки физики за возможность самостоятельно выполнять опыты. Особенности формирования у школьников экспериментальных умений достаточно подробно изложены нами в публикации [8]. Отметим лишь, что при проведении учащимися экспериментов важно подчеркивать, что в науке за каждым опытом стоит теоретическая концепция, гипотеза, модель, требующая проверки. "Начинающим изучение опытных наук необходимо помнить, что построение опыта, его расположение и приемы определяются рассуждением, заключающим в себе принцип, а не наоборот. Во главе дела стоит соображение, которым и определяется стремление делать опыты", — отмечал Д. И. Менделеев.

Использование приведенной выше системы заданий и упражнений позволит подготовить школьников к выполнению комплексных исследований. В качестве примера приведем наиболее интересные темы исследовательских работ учащихся Минской области, представленные на областной научно-практической конференции школьников в январе 2007 года.

■ Остановись, мгновение, или Опыты со стробоскопом (руководитель работы — Т. С. Пролиско).

■ Исследование электрической проводимости металлических порошков (К. Д. Сечко).

■ Зависимость прочности нити от ее параметров (Ю. И. Минько).

■ Методы определения скорости пули в условиях школьной лаборатории (О. А. Званцова, О. В. Митько).

■ Определение плотности неоднородного тела неправильной формы и исследование его колебаний (Т. Е. Максименко).

■ Исследование мощностных параметров учащихся средней школы в зависимости от вида выполняемой механической работы (Р. В. Рудович).

■ Буря в стакане (С. В. Кульгавая).

■ С какой скоростью растет зеленый лист? (В. И. Шуликовская).

■ Как правильно варить картошку и яйца? (Г. Ф. Галина).

■ Кто творит радугу? (Л. Г. Скачко).

■ Задача Роберта Вуда (И. Е. Черпаков).

Таким образом, педагогический опыт свидетельствует, что для повышения познавательного интереса школьников к изучению физики обучение целесообразно организовывать как поиск учащимися ответов на множество "почему?". При этом необходимо учить ребят анализировать и сопоставлять наблюдаемые явления, анализировать закономерные связи между ними, проводить эксперименты, думать о том, где и как можно использовать полученные результаты.

Приведенные выше познавательные задачи и упражнения позволят объединить познавательные действия, осуществляемые учащимися, в определенную систему в соответствии с логикой научного исследования, что будет способствовать формированию представлений учащихся об основных методах познания действительности, развитию их мышления, воспитанию у них познавательной активности, инициативности, любознательности .

Литература

1. Бубликов, С. В. Модель становления исследовательской компетентности школьников при обучении физике // Обновление школьных технологий образования: сб. науч. тр. — СПб. : Изд-во РГПУ им. А. И. Герцена, 2000.

2. Дик, Ю. И. Каким быть школьному физическому образованию? / И. К. Дик, В. А. Орлов, Л. В. Тарасов // Физика в школе. — 1990. — № 3. — С. 18—21.

3. Журавлев, И. К. Система познавательных задач по учебному предмету / И. К. Журавлев // Сов. педагогика. — 1981. — № 9. — С. 49—55.

4. Каменецкий, С. Е. Модели и аналогии в курсе физики средней школы / С. Е. Каменецкий, Н. А. Солодухин. — М. : Просвещение, 1982.

5. Мослов, И. С. Школьники в поиске физических открытий: из опыта подготовки учащихся к дистанционной эвристической олимпиаде / И. С. Маслов // Фізіка: праблемы выкладання. — 2005. — № 2. — С. 3—13.

6. Маркович, Л. Г. Турниры юных физиков / Л. Г. Маркович, А. И. Слободянюк. — Минск : МОИПКиПРРиСО, 1999.

7. Осипенко, Л. Е. Можно ли воспитывать юных исследователей в "глубинке"? // Фізіка: праблемы выкладання. — 2005. — № 1. — С. 31—35.

8. Осипенко, Л. Е. Формирование представлений школьников об эксперименте как методе научного познания на уроках физики / Л. Е. Осипенко, Т. С. Пролиско // Фізіка: праблемы выкладання. — 2006. — № 2. — С. 40—45.

9. Разумовский, В. Г. Основная школа: проблемы обучения и создания учебника нового поколения / В. Г. Разумовский, В. А. Орлов // Физика в школе. — 2004. — № 5. — С. 28—35.

10. Усова, А. В. Чтобы учение стало успешным / А. В. Усова // Педагогика. — 2000. — № 4. — С. 30—33.

11. http://www.cnews.ru/news/top/index.shtml72005/ll/22/192018.

12. http://www.mass.edu/p_p/includes/pipeline/includes/presspubs/20050220-ETRIB-Teachers.pdf.

13. http://www.fulbrightmemorialfund.jp/news-fer-mar-05/scienceDiscovery.html.

14. http://www.olimpus.co.jp/en/magazine/techzone/vol65_e/page4.cfm.

15. Kerr В. & Sharon Е. Robinson Kurpius (2004) Encouraging talented girls in math and science: effects of guidance intervention. High Ability Studies, volume 15, Number 1/2004, pp. 85—102. Arizona State University USA.